Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология

Подождите немного. Документ загружается.

249

Витамин А

1 Витамин А

(ретинол)

(дегидроретинол)

CHO

COOH

Ретиналь

Ретиноевая кислота

Рис. 17.1. Структура разных форм витамина А (пояснения в тексте)

тканей, участии в обмене белков и липидов, в окислительных процессах, в

регуляции проницаемости мембран. Суточная потребность в витамине со-

ставляет для взрослого человека 1 мг. А-авитаминозы сопровождаются утра-

той остроты зрения и возникновением сумеречной слепоты, поражением эпи-

телиальных тканей и слизистых оболочек, торможением роста, уменьшением

массы тела, повреждением тканей нервной системы, клеток надпочечников и

семенников.

Следует отметить, что недостаток витамина А в пище особенно опасен

для детей, поскольку у взрослых этот витамин может запасаться, образуя

сложные эфиры с пальмитиновой кислотой. В таком виде ретинол более ус-

тойчив и накапливается в печени в количествах, способных обеспечить по-

требность в нем в течение 2 лет.

Источниками витамина А являются животные продукты (особенно печень

морских животных и рыб), а также растительные продукты, содержащие ка-

ротиноиды. Каротины служат в организме человека предшественниками

(провитаминами), из которых синтезируется витамин А.

В свою очередь, b-каротин содержится в свежих овощах и фруктах, осо-

бенно много его в моркови и тыкве. Кроме этого, каротиноиды синтезируют-

ся в клетках многих микроорганизмов: микроскопических водорослей, дрож-

жей, мицелиальных грибов, актиномицетов, микобактерий.

Биосинтез каротиноидов, так же как и других изопреноидов, осуществля-

ется из ацетил-СоА в ходе нескольких стадий и подчиняется «изо-преновому

правилу», впервые сформулированному швейцарским химиком Л. Ружичкой.

Согласно этому правилу, обязательным в синтезе является участие изопрено-

вых единиц и следующих превращений:

1) формирование мевалоната из ацетил-СоА или лейцина;

2) фосфорилирование, дегидратация и декарбоксилирование мевалоната с

образованием «активного изопрена» — изопентенилпирофосфата; кон-

денсация изопреновых звеньев с образованием линейных молекул разной

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

250

длины; 3) циклизация частей линейных молекул изопреноидов; 4) мо-

дификация циклических структур.

Основные стадии процесса биосинтеза b-каротина, подчиняющегося пра-

вилу Ружечки, представлены на рис. 17.2 и 17.3.

C C S CoA

CoA

C C

CoASC

CoASH

C C

CoA

C S CoA

OOC

Ацетил СоА

Ацетоацетил СоА

CoA

OOC

CCH

Мевалонат

ATP

ADP

OOC

ATP

ADP

Мевалонилпирофосфат

Изопентенилпирофосфат

Диметилаллилпирофосфат

Геранилпирофосфат

Фарнезилпирофосфат

(IPP)

IPP

P P

IPP

Геранилгеранилпирофосфат

CH HC

Конденсация двух молекул

« голова к голове»

NADP

NADPH

Фитоен

3-Гидрокси-3-метилглутарил-СоА

2NADP

2NADPH

+ P

2PP

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

251

Рис. 17.2. Синтез бесцветного предшественника окрашенных кароти-

ноидов — фитоена (С

-линейная молекула)

Фитоен

CH HC

Ликопин

CH HC

Каротин

CH HC

Оксигеназа

Ретинол

-2[H]

Рис. 17.3. Синтез окрашенных пигментов из фитоена, образование b-

каротина и ретинола

Следует отметить, что промежуточное соединение, образующееся на на-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

252

чальных этапах биосинтеза каротиноидов — фарнезилпирофосфат

(рис. 17.2), является предшественником для синтеза стеролов (глава 15) и

витамина Q.

Фитоен — линейная 40-углеродная молекула, состоящая из повторяю-

щихся изопреновых единиц, подвергается далее четырем последовательным

реакциям дегидрирования, в результате чего в ней образуется 4 дополнитель-

ные двойные связи (ликопин — красный пигмент томатов), а затем циклизу-

ется в b-каротин через промежуточную стадию образования g-каротина

(рис. 17.3).

В клетках печени и слизистой кишечника животных и человека b-каротин

может подвергаться окислительному расщеплению с образованием двух мо-

лекул ретинола (рис. 17.3).

Витамин D (кальциферол). Кальциферол, как и витамин А, существует

в виде нескольких витамеров. Наиболее распространены витамины D

и D

Витамин D

образуется из провитамина эргостерола, а витамин D

— из про-

дукта модификации холестерола (7-дегидрохолестерола) под действием сол-

нечной иррадиации. Ультрафиолетовое облучение приводит к раскрытию в

молекуле стерола кольца В в результате размыкания связи между 9-м и 10-м

углеродными атомами (рис. 17.4, сравни с рис. 4.4). У животных эта реакция

протекает в клетках кожи.

Поскольку провитамины (стеролы) способны синтезироваться в организ-

мах животных и человека (глава 15), а также поступают с пищей, дефицит

витамина D у взрослых наблюдается редко (при недостатке солнечного облу-

чения, иногда — в результате наследственных нарушений). Но у детей, в ор-

ганизмах которых происходит интенсивный мембраногенез, развитие тканей,

костной и мышечной систем, часто регист-

C CH

Витамин D

(холекальциферол)

C CH

Витамин D

(эргокальциферол)

Витамин Е (a токоферол)

Витамин К

(филлохинон)

5 7

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

253

Рис. 17.4. Структура витаминов D, E, К

рируется недостаточность витамина D, которая может привести к развитию

рахита — заболевания, связанного с нарушением процесса минерализации

костной ткани.

Витамин D принимает участие в реакциях перекисного окисления липи-

дов, а, кроме того, витамер D

гидроксилируется в печени и почках животных

с образованием гормона кальцитриола (1, 25-дигидрокси-холекальциферол).

Кальцитриол вместе с двумя другими гормонами участвует в регуляции об-

мена кальция в организме. В частности, известно, что кальцитриол стимули-

рует всасывание кальция в желудочно-кишеч-ном тракте и включение его в

костную ткань.

Витамином D

богаты такие продукты, как рыбий жир, сливочное масло,

желток куриного яйца, печень животных, молоко. Суточная потребность в

витамине D составляет 0,01 мг. Важно присутствие витамина D в рационе

сельскохозяйственных животных, в первую очередь кур и коров, поскольку у

них кальциевый обмен происходит особенно интенсивно. Получают витамин

D (в основном эргокальциферол), облучая ультрафиолетом дрожжевую или

грибную биомассу либо уже выделенный эргостерол.

Витамин Е (токоферол). Под этим названием объединяется группа ви-

тамеров, синтезируемых растениями. Наиболее распространены a-

(рис. 17.4), b- и g-токоферолы, которые различаются числом и положением

метильных групп у бензольного кольца. Токоферолы обладают антиокси-

дантным действием по отношению к ненасыщенным липидам: выступают в

роли восстановителей, которые легко реагируют с окисляющими веществами

(например, с пероксидными радикалами) и таким образом защищают другие

молекулы от окисления. Наиболее полно это свойство токоферолов проявля-

ется по отношению к липидам мембран, что стабилизирует их функции и,

соответственно, биохимические процессы, связанные с деятельностью мем-

бран.

Кроме этого, токоферолы участвуют в регуляции синтеза ферментов, а

также контролируют обмен и функции убихинона — одного из компонентов

дыхательной цепи.

Наибольшее количество витамина Е содержится в проростках пшеницы и

растительных маслах, а также в салатах, капусте. Суточная потребность в

этом витамине для человека составляет 10 мг.

Недостаток витамина Е в рационе может приводить к нарушению эмбрио-

генеза, развитию заболеваний органов размножения, а также к мышечной

дистрофии, параличу конечностей, дегенерации спинного мозга и др. Однако

Е-авитаминозы встречаются достаточно редко при сбалансированном пита-

нии, поскольку витамин Е способен запасаться в тканях животных, восполняя

недостаточное поступление токоферола с пищей в течение нескольких меся-

цев.

Витамин К (филлохинон). К витаминам группы К относят соединения

со структурой молекул, подобных витамину К

— филлохинону (рис. 17.4). Кроме

этого, распространены витамины К

(менахиноны), отличающиеся строением

боковой цепи, а также многие производные нафтохинона.

Витамин К является антигеморрагическим фактором, способствующим

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

254

нормализации и ускорению свертываемости крови. При этом филлохинон

принимает участие в карбоксилировании остатков глутаминовой кислоты

белков плазмы крови. У растений и микроорганизмов менахиноны участвуют

в окислительно-восстановительных процессах, происходящих при окислитель-

ном фосфорилировании и фотофосфорилировании.

Суточная потребность в витамине К для взрослого человека составляет

0,08 мг. Большие количества этого витамина присутствуют в зеленых частях

и плодах растений (томаты, капуста, тыква), а также в печени животных.

Кроме того, витамин К синтезирует кишечная микрофлора, поэтому К-

авитаминозы наблюдаются обычно только у новорожденных.

Витамин Q (убихинон). Хиноны, в том числе убихинон (Q

), уже рас-

смотрены в главе 12 как коферменты. Однако есть основания считать убихи-

ноны веществами витаминной природы, поскольку, хотя они и синтезируются

в организмах животных и человека, известны заболевания, которые излечи-

ваются при введении Q

. К таким заболеваниям можно отнести, например,

анемию или нарушения в костном мозге при белковом голодании у детей.

Известно участие убихинонов в процессах транспорта электронов при ды-

хании и фотосинтезе, а также антиоксидантное действие в мембранах, при-

чем еще более эффективное, чем у токоферола.

Убихиноны синтезируются всеми организмами, за исключением некото-

рых бактерий. Предшественниками ароматического кольца служит п-

оксибензойная кислота, которая у животных синтезируется из тирозина и фе-

нилаланина, поэтому синтез убихинонов у животных зависит от белкового

питания. Боковая изопренильная цепь убихинонов синтезируется по правилу

Ружечки. Богатыми источниками убихинонов являются ткани, в которых ин-

тенсивно осуществляются окислительно-восстано-вительные процессы: сер-

дечная мышца, печень, «бурый жир».

Витамин F (незаменимые жирные кислоты). Жирные кислоты с

большим количеством двойных связей — линолевая (18:2), линоленовая

(18:3) и арахидоновая (20:4) — не могут самостоятельно синтезироваться в

организме человека и должны поступать с пищей. На этом основании пред-

ложено относить их к витаминам. Арахидоновая кислота, однако, может об-

разовываться из линолевой и линоленовой. Она служит предшественником

большой группы медиаторов (локальных гормонов эйкозаноидов). Эйкоза-

ноидам присущи важные функции: они участвуют в высвобождении веществ

внутриклеточного синтеза, контролируют сокращение гладкомышечной тка-

ни, оказывают влияние на метаболизм костной ткани, нервную и иммунную

системы и др.

Отмечено участие витамина F в регуляции обмена липидов, выявлена его

роль в выведении из организма избыточных количеств холестерола. Имеются

сведения о положительном влиянии ненасыщенных жирных кислот на со-

стояние кожного и волосяного покрова. Однако случаев F-авитаминоза у че-

ловека не описано.

17.3. Водорастворимые витамины

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

255

Водорастворимые витамины можно классифицировать по структуре их

молекул и выполняемым в организме функциям (рис. 17.5). Кофермен-

Гетероциклические

Алифатические

Тиамин

Рибофлавин

Пиридоксин

Никотиновая кислота

Биотин

Фолиевая кислота

Кобаламины (В

)

Пантотеновая кислота

Липоевая кислота

Соединения, не участвующие в образовании кофермент

Полиметильные

Образованные из гексоз

Холин

Карнитин

Пангамовая кислота

Аскорбиновая кислота

Инозит

Рис. 17.5. Классификация водорастворимых витаминов. На схеме по-

казаны истинные витамины и витаминоподобные вещества

тные витамины выполняют функцию кофакторов ферментов, некофермент-

ным витаминам присущи иные, довольно разнообразные функции.

Витамин В

(тиамин). Этот витамин был выделен в виде чистого веще-

ства первым (польским ученым К. Функом, 1912 г.). Молекула тиамина со-

стоит из пиримидинового (П) и тиазолового (Т) колец, соединенных метиле-

новой группой (рис. 17.6). Активной формой витамина является тиаминди-

фосфат (рис. 17.6), выполняющий функции простетической группы декарбок-

силаз кетокислот. Тиаминдифосфат (кокарбоксилаза) участвует в таких

важных процессах, как окислительное декарбоксилирование пирувата (гла-

ва 11), транскетолазные реакции пентозофосфатных путей и цикла Кальвина,

расщепление a-оксикетонов и a-дикетонов. Основным каталитическим цен-

тром фермента является 2-й углеродный атом тиазола (рис. 17.6). Для вита-

мина В

характерны и некоферментные функции: участие в активном перено-

се богатых энергией фосфатных групп, участие в окислительно-

восстановительных реакциях, в проведении нервного импульса.

Синтезируют тиамин растения, дрожжи, многие бактерии, в том числе те,

что населяют кишечник человека и животных (E.coli, Proteus vulgaris, Bacil-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

256

lus mesentericus, Alcaligenes faecalis). Поэтому В

-витаминозы у взрослых

людей встречаются редко. Однако в определенные периоды жи-

R = H витамин В

(тиамин);

PP O OH

Кокарбоксилаза

(тиаминдифосфат)

R =

R = CH

OH пиридоксин;

R = CH

пиридоксамин;

R =

пиридоксаль

O P

Пиридоксаль

фосфат

Пиридокс

аминфосфат

Трансаминаза

Витамин В

Функции

в составе

кофакторов

N N

COO

Остаток

птеридина

Glu

Витамин В

(птероилмоноглутаминовая кислота)

В молекуле тетрагидро

филиевой кислоты

восстановлены атомы:

Водород замещается на

одноуглеродные радикалы

у атомов:

Аминокислота 1 Кетокислота 1

Аминокислота 2

Кетокислота 2

N-3, N-5 и N-8

N-5 и N-10

Остаток

п-аминобен-

зойной

кислоты

Рис. 17.6. Структура витаминов В

, В

и их коферментных форм. Уча-

стие пиридоксальфосфата в реакциях трансаминирования

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

257

зни потребность в тиамине может возрастать в несколько раз, например у

женщин при беременности и кормлении детей грудным молоком. Этот вита-

мин содержится в зерновых культурах, бобовых, дрожжевых продуктах, в

постной свинине.

Суточная потребность взрослого человека в тиамине составляет 1,5 мг.

При его недостатке развиваются сердечно-сосудистые заболевания, мышеч-

ная атрофия, болезнь бери-бери, которая сопровождается расстройством

нервной системы.

Тиамин используют в медицине, им обогащают напитки и некоторые сор-

та хлеба, применяют в фармацевтической промышленности. Вносят в корма

для животных.

Витамин В

(рибофлавин). Представляет собой гетероциклическое со-

единение флавиновой природы (рис. 7.4), содержащее функционально актив-

ную изоаллоксазиновую систему. Рибофлавин служит структурным элемен-

том таких простетических групп, как FAD и FMN, функции которых описаны

в главе 7.

Суточная потребность в рибофлавине составляет 1,8 мг. Рибофлавином

богаты молоко, яйца, печень и почки животных, овощи, дрожжи. Этот вита-

мин поступает в организм также за счет деятельности кишечной микрофлоры.

-авитаминозы выражаются в заболеваниях кожи (трещины в уголках рта),

задержке роста, воспалении слизистых оболочек, в том числе роговицы глаза,

что связано с ослаблением зрения, быстрой утомляемости, заболеваниях кро-

ветворной и нервной системы.

В природе рибофлавин синтезируют растения, мицелиальные грибы,

дрожжи, бактерии. Пути биосинтеза рибофлавина хорошо изучены для бакте-

рий Salmonella typhimurium, дрожжей рода Saccharomyces, грибов рода Ere-

mothecium и имеют много общего. У дрожжей предшественником для синтеза

рибофлавина служит ГТР. На первой стадии происходит раскрытие имида-

зольного кольца в составе остатка гуанина и отщепление 8 углеродного ато-

ма, который выделяется в виде формиата (рис. 17.7). Затем происходит по-

следовательное отщепление пирофосфата, внутримолекулярная перестройка

(перегруппировка Амадори), восстановление, отщепление аминогруппы (за-

мещается на кетогруппу) и отщепление ортофосфата. Формируется диоксиа-

минорибитиламинопиримидин (ДОАРАП), к которому присоединяется во-

семь атомов углерода, необходимых для построения бензольного ядра. Пола-

гают, что источником этих атомов углерода является пируват, который пре-

вращается в ацетоин или диацетил. Добавление атомов углерода происходит

в ходе двух стадий: на первой из них присоединение четырех атомов углерода

приводит к образованию диметилрибитиллюмазина, одна из молекул которо-

го на второй стадии выступает в качестве донора еще 4 атомов углерода

(рис. 17.7).

Флавиновые кофакторы (FAD, FMN) образуются в клетках дрожжей и

бактерий с участием АТР:

Рибофлавин + АТР ® FMN + ADP

FMN + ATP ® FAD + PP

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

258

Рибофлавин, а также его производные (FAD, FMN) находят применение в

медицине, витамином В

обогащают некоторые сорта хлеба, его

HCOOH

P PP

OH OH

GTP

Перегруппировка

Амадори,

восстановление

H C

O P

D Фосфо

рибитил

NADPH

NADP

H C

Рибофлавин

( )

2,5-Диамино-6-окси-4-

рибозиламинопиримидин

+ 4[C]

6,7-Диметил-8-

рибитиллюмазин

2,6-Диокси-5-амино-4-

рибитиламинопиримидин

2,5-Диамино-6-окси-4-

рибитиламинопиримидин

2,6-Диокси-5-амино-4-

рибитиламинопиримидин

Реагируют

2 молекулы

Рис. 17.7. Биосинтез рибофлавина

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)